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基于AVL EXCITE TD的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪型線優(yōu)化

李沐恒，董小瑞，王艷華，蘇銀皎

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030051）

摘要針對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門在高速下存在跳動(dòng)問(wèn)題，利用AVL EXCITE TD軟件對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，并優(yōu)化凸輪型線。在其它條件不變的前提下，優(yōu)化的凸輪型線滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。凸輪型線優(yōu)化后，改善了氣門升程豐滿系數(shù)，降低凸輪與挺柱的接觸應(yīng)力，同時(shí)使得凸輪與挺柱的磨損減小，解決了氣門跳動(dòng)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

來(lái)稿日期：2015-01-19

1　引言

在當(dāng)今社會(huì)，發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的功率已達(dá)到全球動(dòng)力裝備總功率的50%以上，消耗了巨大的燃料[1]；同時(shí)，它也是人類的主要環(huán)境污染源之一，它所排放的廢氣約占工業(yè)廢氣的50%左右。因此，從能源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù)角度出發(fā)，人們對(duì)其性能提出了愈來(lái)愈高的要求。影響這些性能的因素中，配氣機(jī)構(gòu)是十分重要的因素之一。

為了解決某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)氣門出現(xiàn)跳動(dòng)和磨損嚴(yán)重的情況，本文以原型機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)優(yōu)化其凸輪的型線，使原機(jī)中存在的問(wèn)題得到改善。

2　配氣機(jī)構(gòu)的要求

理想的進(jìn)氣系統(tǒng)，應(yīng)滿足以下要求：（1）低速時(shí)，采用較小的氣門重疊角和較小的氣門升程，防止出現(xiàn)缸內(nèi)新鮮充量倒流向進(jìn)氣系統(tǒng)，增加低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；（2）高速時(shí)應(yīng)具有較大的氣門升程和進(jìn)氣遲閉角，以減小空氣的流動(dòng)阻力，并充分利用后期的充氣，提高充量系數(shù)。

根據(jù)上述要求，氣門的進(jìn)氣持續(xù)角也需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的進(jìn)氣正時(shí)。

3　配氣凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展概述

凸輪型線設(shè)計(jì)經(jīng)歷了靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)等3個(gè)階段[2]。靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)是將配氣機(jī)構(gòu)看作絕對(duì)剛體，而不考慮其在運(yùn)動(dòng)中的彈性變形。用該方法設(shè)計(jì)的凸輪，雖然加速度曲線不連續(xù)，但有較大的時(shí)間-斷面值。對(duì)于低轉(zhuǎn)速柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，它所引起的振動(dòng)較小，故該方法多用在低轉(zhuǎn)速柴油機(jī)上。對(duì)于動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)而言，它把配氣機(jī)構(gòu)看作是一個(gè)彈性系統(tǒng)。該方法只從彈性變形的角度來(lái)設(shè)計(jì)凸輪外形，但沒(méi)有考慮配氣機(jī)構(gòu)的彈性振動(dòng)，所以也沒(méi)有從根本上解決振動(dòng)問(wèn)題。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是同時(shí)考慮配氣凸輪型線與配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)來(lái)進(jìn)行凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4　原機(jī)模擬與計(jì)算結(jié)果分析

4.1氣門升程、速度和落座力

對(duì)原機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，氣門的動(dòng)力學(xué)升程、速度和氣門落座力的模擬結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示。

圖1　氣門升程曲線

圖2　氣門速度曲線

由圖1的升程曲線可見(jiàn)，原機(jī)氣門關(guān)閉時(shí)有輕微反跳；由圖2的氣門速度曲線可見(jiàn)，氣門最大落座速度大于0.5 m/s，說(shuō)明氣門有嚴(yán)重的沖擊，氣門和氣門座磨損較大；從圖3的氣門落座力曲線可見(jiàn)，氣門落座力太大，落座時(shí)有明顯的沖擊現(xiàn)象。原機(jī)的其他參數(shù)的模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

4.2氣門躍度

圖3　氣門落座力曲線

表1　原機(jī)的其他參數(shù)模擬結(jié)果

氣門的躍度關(guān)系到從動(dòng)件振動(dòng)響應(yīng)，凸輪與從動(dòng)件間的接觸力應(yīng)盡可能無(wú)突跳，以避免振動(dòng)。最大躍度值一般不應(yīng)超過(guò)1 000 mm/rad3。由表1可見(jiàn)，原機(jī)氣門的躍度最大值為5 613 mm/rad3，氣門躍度的突變發(fā)生在凸輪工作段與緩沖段的連接處，這主要是由于該處凸輪型線不光滑且坡度較大所致。

4.3氣門升程豐滿系數(shù)

由表1可見(jiàn)，原機(jī)的氣門升程豐滿系數(shù)為0.591。對(duì)于采用平面挺柱的配氣機(jī)構(gòu)，氣門升程豐滿系數(shù)一般在0.55左右。

4.4凸輪與挺柱間的接觸應(yīng)力

原機(jī)為平面挺柱形式的配氣機(jī)構(gòu)，凸輪與挺柱材料分別為鋼與冷激鑄鐵，其允許最大接觸應(yīng)力為650 MPa。由表1可見(jiàn)，凸輪與挺柱間的接觸應(yīng)力遠(yuǎn)大于許用值要求。

4.5潤(rùn)滑系數(shù)

一般平面挺柱的潤(rùn)滑系數(shù)要求為0.15~0.3，由表1可見(jiàn)，原機(jī)凸輪與挺柱間的潤(rùn)滑系數(shù)最小值為0，原機(jī)凸輪與挺柱間的潤(rùn)滑系數(shù)值超出了該范圍。

4.6氣門彈簧裕度

氣門彈簧裕度不能太小，否則從動(dòng)件會(huì)從凸輪表面跳開(kāi)；同時(shí)也不能太大，否則早期磨損會(huì)較大，驅(qū)動(dòng)功率也較大。一般要求在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速超速20%的情況下，最小氣門彈簧裕度值在1.1~1.2之間較理想。由表1可見(jiàn)，原機(jī)氣門彈簧在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí)，彈簧裕度為0.189，遠(yuǎn)低于1.1的要求。

4.7氣門彈簧動(dòng)力學(xué)特性

同時(shí)對(duì)原機(jī)的氣門彈簧動(dòng)力學(xué)進(jìn)行模擬。原機(jī)的氣門彈簧各圈位移情況如4圖所示，彈簧各圈受力情況如圖5所示。由圖4可見(jiàn)，原機(jī)氣門彈簧無(wú)并圈現(xiàn)象；由圖5可見(jiàn)，氣門彈簧諧振激起彈簧顫振使受力出現(xiàn)陡然增加現(xiàn)象，這可通過(guò)優(yōu)化凸輪型線、調(diào)整氣門彈簧剛度以及配氣機(jī)構(gòu)頻率特性得到解決。

圖4　氣門彈簧各圈位移

圖5　氣門彈簧各圈受力

5　配氣凸輪型線改進(jìn)設(shè)計(jì)

5.1緩沖段的設(shè)計(jì)

緩沖段即過(guò)渡段，是用來(lái)連接基圓與工作段。其作用主要是：在開(kāi)啟段，用于消除氣門系的總間隙，消除預(yù)緊力所引起零件的彈性預(yù)變形。而在關(guān)閉段，氣門頭部與氣門座的工作條件較差，且氣門關(guān)閉側(cè)，受到撞擊，磨損會(huì)更大些。因此對(duì)于氣門關(guān)閉側(cè)，最大速度可小于開(kāi)啟側(cè)，以減小磨損[3]。在緩沖段設(shè)計(jì)中，上升段和下降段高度通常相等。緩沖段末端速度最大速度小于300 mm/s（運(yùn)動(dòng)學(xué)），長(zhǎng)度一般在15毅~40毅范圍內(nèi)。

AVL EXCITE TD提供了3種類型的緩沖段函數(shù)，分別是矩形函數(shù)類型、余弦函數(shù)類型和梯形函數(shù)類型。其中，矩形函數(shù)類型持續(xù)期可以較長(zhǎng)，常用于大中型柴油機(jī)；余弦函數(shù)類型一般用于高速?gòu)?qiáng)化汽油機(jī)；梯形函數(shù)類型具有矩形函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，且加速度沖擊可以稍小，緩沖段長(zhǎng)度可以稍短。本優(yōu)化采用梯形函數(shù)。

5.2工作段的設(shè)計(jì)

AVL EXCITE TD軟件提供了3種常用的配氣凸輪工作段設(shè)計(jì)方法：氣門加速度多項(xiàng)動(dòng)力凸輪（POLYDYNE）、氣門等加速度凸輪（STAC）和氣門分段加速度函數(shù)凸輪（ISAC）。本優(yōu)化，開(kāi)啟側(cè)采用加速度多項(xiàng)動(dòng)力凸輪，關(guān)閉側(cè)采用分段加速度函數(shù)凸輪。

對(duì)于五項(xiàng)式高次方曲線，其氣門升程曲線表達(dá)式為：

其中，h(x)為氣門升程；c4、cp、cq、cr和cs分別為待定系數(shù)；p、q、r和s為對(duì)應(yīng)的冪指數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，系數(shù)c一般取0.1或0.2，而p、q、r和s的取值可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：p=2~20，q=2n，r=2n+2m，s=2n+4m。在進(jìn)行凸輪型線的設(shè)計(jì)時(shí)，可以先減小p值，使接觸應(yīng)力增大，氣門升程豐滿系數(shù)減小，而使最大躍度、潤(rùn)滑系數(shù)都在比較好的范圍內(nèi)，再通過(guò)調(diào)整q、r、s的值，來(lái)增加氣門升程豐滿系數(shù)，降低接觸應(yīng)力。

分段加速度函數(shù)凸輪是常用的一種設(shè)計(jì)方法，可用于各種類型的配氣凸輪。一般分成4~10段進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定各段寬度、曲線類型以及末端加速度。通過(guò)調(diào)整各段的設(shè)計(jì)參數(shù)，來(lái)確定型線的設(shè)計(jì)方案。凸輪開(kāi)啟側(cè)和關(guān)閉側(cè)的參數(shù)設(shè)置分別參見(jiàn)圖6和圖7。

6　優(yōu)化后的凸輪型線評(píng)價(jià)

6.1凸輪驅(qū)動(dòng)力

圖6　凸輪開(kāi)啟側(cè)參數(shù)設(shè)置

圖7　凸輪關(guān)閉側(cè)參數(shù)設(shè)置

按確定的型線設(shè)計(jì)方案對(duì)原機(jī)的凸輪型線進(jìn)行了優(yōu)化。采用優(yōu)化后的凸輪型線，對(duì)配件機(jī)構(gòu)再進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算。氣門的動(dòng)力學(xué)升程、速度和氣門落座力的模擬結(jié)果如圖8、圖9和圖10所示。由圖8可見(jiàn)，新設(shè)計(jì)的凸輪型線氣門開(kāi)啟和關(guān)閉良好；由圖9可見(jiàn)，氣門落座時(shí)速度比原機(jī)小很多，說(shuō)明氣門沒(méi)有大的沖擊，磨損較小；由圖10可見(jiàn)，采用新設(shè)計(jì)的凸輪型線，落座力比原來(lái)小的多，落座時(shí)沒(méi)有大的沖擊現(xiàn)象。凸輪型線優(yōu)化后的配氣機(jī)構(gòu)其他模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

6.2氣門躍度

從表2可見(jiàn)，最大躍度為946.8 mm/rad3，小于1 000 mm/rad3，滿足要求。

6.3氣門升程豐滿系數(shù)

從表2可見(jiàn)，優(yōu)化后的氣門升程豐滿系數(shù)為0.581，比原機(jī)要更接近0.55。

6.4凸輪與挺柱的接觸應(yīng)力

從表2可見(jiàn)，新設(shè)計(jì)的凸輪與挺柱的接觸應(yīng)力最大為327.6 MPa，滿足材料的許用值要求。

圖8　優(yōu)化后氣門升程曲線

圖9　優(yōu)化后氣門速度曲線

圖10　優(yōu)化后氣門落座力曲線

6.5潤(rùn)滑系數(shù)

從表2可見(jiàn)，新設(shè)計(jì)的凸輪與挺柱間的潤(rùn)滑系數(shù)最小值為0.264，且在凸輪桃尖±30°凸輪轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的潤(rùn)滑系數(shù)為0.264~0.342。

6.6氣門彈簧裕度

從表2可見(jiàn)，采用新設(shè)計(jì)凸輪，最小彈簧裕度為2.767，滿足要求。

表2　凸輪型線優(yōu)化后的模擬計(jì)算結(jié)果

6.7氣門彈簧動(dòng)力學(xué)特性

對(duì)凸輪型線優(yōu)化后的氣門彈簧動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了模擬。氣門彈簧各圈位移情況如9圖所示，彈簧各圈受力情況如圖10所示。由圖9和圖10可見(jiàn)，在新設(shè)計(jì)的凸輪型線中，氣門彈簧沒(méi)有并圈現(xiàn)象，彈簧動(dòng)力學(xué)特性較好，消除了部分的氣門彈簧顫振現(xiàn)象。

圖11　氣門彈簧各圈位移

圖12　氣門彈簧各圈受力

7　結(jié)論

運(yùn)用AVL Excite TD軟件針對(duì)某款發(fā)動(dòng)機(jī)，將配氣機(jī)構(gòu)建模并仿真分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行凸輪型線優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)化得出兩個(gè)結(jié)論：（1）優(yōu)化后的型線滿足基本的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)要求；（2）改善了凸輪與挺柱接觸應(yīng)力、最大躍度等性能。

參考文獻(xiàn)

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Optimization of Cam Profile with AVL Excite TD

Li Muheng, Dong Xiaorui, Wang Yanhua, Su Yinjiao

（North University of China, School of Mechanical and Power Engineering, Taiyuan 030051, China）

Abstract:To solve the problem that valve jitters at high-speed in the valve train of an engine, the software AVL EXCITE TD is used to built up the kinematics and dynamics model and optimize the cam profile. On the premise of other conditions unchanged, the optimized profile shall meet the engine design requirements. The result shows that the optimization of the cam profile improves the valve lift fullness factor, reduces the contact stress between cam and tappet, thus reducing wear between cam and tappet, and solves the question of valve jittering.

Key words:engine, valve train, optimized design

作者簡(jiǎn)介：李沐恒（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)態(tài)測(cè)試與仿真。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.008